自动挖树机设计.docx

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自动挖树机设计

摘要

本人的设计是自动树木挖掘机，主要应用于挖掘半径1.2m，挖掘深度0.8m的树木并且要求能够装载到30或者50的装载机上进行运动。

充分提高装载机的利用率，同时方便运输与操作，提高了挖掘树木的效率，降低整机的设计成本。

本次设计的自动树木挖掘机的主要结构包括：

机架、铲刀、导轨、液压缸设计。

机架由一固定机架和两个活动机架组成，其中固定机架与装载进行连接，侧面的两个主机架上安装有铲刀进行工作。

其中铲刀外形为菱形，为了充分保证铲削效率设计了四面的铲刀用螺栓连接在固定导轨上，热处理工艺为淬火处理，硬度高和韧性好。

铲刀通过刚性弧形导轨内的导轨面使用轴承进行接触滚动保证铲刀的运动轨迹。

设计中主要的驱动装置为液压缸，开合液压缸保证两侧面的机架进行开合保证树木能够被合理的取出。

同时还有铲刀液压缸实现铲刀下铲和升降的目的。

关键词：

自动挖树机铲刀液压

Abstract

本人的设计是自动树木挖掘机，主要应用于挖掘半径1.2m，挖掘深度0.8m的树木并且要求能够装载到30或者50的装载机上进行运动。

充分提高装载机的利用率，同时方便运输与操作，提高了挖掘树木的效率，降低整机的设计成本。

Thedesignismainlyappliedtoautomatictreesexcavator,diggingradius1.2m,thedepthofexcavation0.8mtreesandrequirementscanbeloadedontotheloader30or50onthemotion.Tofullyenhancetheutilizationrateofloadingmachine,atthesametime,convenienttransportationandoperation,improvetheefficiencyofminingtrees,reducethedesigncostofthemachine.

本次设计的自动树木挖掘机的主要结构包括：

机架、铲刀、导轨、液压缸设计。

Includingthemainstructureofthedesignoftheautomatictreesexcavator:

frame,blade,guide,designofhydrauliccylinder.

机架由一固定机架和两个活动机架组成，其中固定机架与装载进行连接，侧面的两个主机架上安装有铲刀进行工作。

其中铲刀外形为菱形，为了充分保证铲削效率设计了四面的铲刀用螺栓连接在固定导轨上，热处理工艺为淬火处理，硬度高和韧性好。

铲刀通过刚性弧形导轨内的导轨面使用轴承进行接触滚动保证铲刀的运动轨迹。

设计中主要的驱动装置为液压缸，开合液压缸保证两侧面的机架进行开合保证树木能够被合理的取出。

同时还有铲刀液压缸实现铲刀下铲和升降的目的。

Theframeiscomposedofafixedframeandtwomovableframe,thefixedframeandloadingareconnected,thetwomainframeonthesideofthebladeisinstalled.Thebladeshapeisadiamond,inordertofullyguaranteetheshovelingefficiencydesignfourbladeisconnectedtoafixedguidewayusingbolt,theheattreatmentofquenchingtreatment,highhardnessandtoughness.Thebladecontactrollingensuretrajectoriesbladethroughtheguideofrigidcurvedrailsintheuseofthebearing.Drivethemaindesignofhydrauliccylinder,hydrauliccylinderandguaranteethetwosidesoftheopeningandclosingoftreescanbeguaranteedreasonableout.Atthesametimeandshovelhydrauliccylindertorealizetheshovelandtheliftingshovelnextdestination.

关键词：

自动挖树机铲刀液压

Keywords:

automatictreediggingshovelhydraulicmachine

1绪论

1.1课题研究的意义

随着近几年来全国各地城市框架的逐步拉大，以及各地创建“国家园林城市”、“森林城市”和“生态城市”等活动的积极开展，园林绿化事业也得到了极大的发展。

在此过程中，需要移植大量的不同规格、品种的树木来进行绿化，通过绿化提升城市品位和形象。

绿化工程是园林工程的主体部分，具有调节人类生活和自然环境的功能，发挥生态、审美、游憩三大效益，起着悦目怡人的作用。

大树移植是绿化工程中很重要的一部分。

在目前城市热岛效应日趋明昱和人们对城市居住环境品质要求不断提高的新形势下，在城市中推行种植有一定体量和相当数量的树木就显得尤为重要瓤迫切。

在当前城市绿化建设过程中普遍进行较大规格树木移植时，因城市生境的特殊眭和差异性，其移植后的成活率及生长表现有时往往不容乐观。

这不仅在—定程度上浪费了社会生态资源，而且影响了城市绿地的建植效果。

自动挖树机研究和设计对城市绿化和环境美化有着重大的意义和实用价值，大大提高了劳动效率，改变了依靠传动人工挖掘的被动局面，所以应该要大力推广使用。

1.2挖树移栽的工艺方法

1.2.1移栽准备工作

首先应做好移植前的准备工作，有条件的情况下，苗木在移植前1至2年应进行断根，断根的目的是促使在主根上生出有利于成活的侧根，同时保证苗木起挖土球的完整性，大规格苗木无论落叶前还是长叶后，有条件的情况下，都要起挖土球，这是苗木成活的最基本保证。

起挖土球同时土壤应有一定的保水性，但切忌湿度过大，冀南、豫北、鲁西三地以沙壤土为主（有个别区域以红壤土为主），土质疏松，不利于起挖土球，且春季气候干燥，树体水分保有量较小，在这种情况下，起挖前10至15天内应对苗木进行浇灌，这一点非常重要，对将来苗木能否成活起着关键作用。

苗木经过测量分类后，起挖前应截去病虫枝，留半冠的树要注意各枝条间的均匀分布，以增加树体美观。

务必在挖土球之前截去多余的树枝。

树干在有条件的情况下，应打好草绳，草绳的粗度不宜小于人的食指，起挖前还应将截枝集中外运或燃烧处理，防止病虫害的发生与传播，个别的树洞之中有残留越冬的虫害，可用药物注射法杀灭，方法是用70%高效氯氰菊脂或40%辛硫磷乳液或40%敌杀死均可，注意：

药物配比不可浓度过高，以使用说明书比例配比为准，若是遇到天牛等难以杀灭的害虫，最好的方法是在发芽后杀灭幼虫。

1.2.2绿色植物的时令安排与苗木安排

1.为了确保树木成活，必须根据各地区的自然条件和各树种的生态习性，选择最适当的季节进行栽植。

北方地区以春季栽植为好，此时气温逐渐回升，土层开始解冻。

土壤逐步转向松软，水分较充足，有利于树木的发根，随着气温的升高，根部吸收作用可以维持枝叶需要的水分养分。

南方地区以秋末初冬栽植为宜，此时树木逐渐进入休眠期，树木对水分养分消耗日趋减少。

新生根具备一定的吸收能力，在水分养分供应上能满足枝叶萌发需要。

2.移植的大树能否具有绿化装饰效果和栽植后的生长发育状况，很大程度上取决于大树的选择是否恰当。

一般应按照下列要求选择移植的大树。

1）能适应栽植地点的环境条件，做到适地适树。

2）形态特征合乎景观要求：

做到树冠丰满，树姿优美，观赏价值高。

3）选择幼、壮龄大树。

已衰老的大树移植后不易恢复健康，短期内易失去观赏价值，不宜选用。

4）生长健壮。

无病虫害和机械损伤。

5）原环境条件型适宜挖掘、吊装和运输操作；土壤不易松散，能成形。

1.2.2挖掘的的注意要点

　　挖掘包扎，是大树移植的一个重要环节。

依起掘和包扎方式不同可分三种移植方法。

1）带土球软材料包扎适用于胸径10～15cm的大树。

起掘前，要确定土球直径，然后在划定的土球圆圈的外缘挖宽60～80cm的沟，再用草绳、麻袋片等软材料混合包扎起来。

这种方法简便，费用较低，最为常用。

2）带土块方箱包装适用于胸径15～30cm或更大的树木。

土块成方形，以树干为中心，以树干胸径的8～10倍为宽度划正方形，沿划线的外缘开沟，沟深与留土台高度相等。

随后用4块专制的箱板夹附土台4侧，用钢丝绳或螺钉使箱板紧包土块，而后将土块底部掏空，附上底板并捆扎牢固。

3）裸根软材料包扎法只适用于落叶乔木和萌芽力强的常绿树木，如樟树、银杏等。

除几个主枝外，其余部分全部剪除。

顺着根系将土挖散敲脱，并保护好树皮和细根。

然后在裸露的根系空隙处填入湿苔藓，再用湿草袋、草绳等软质料将根部包缚，并加强栽植后的养护管理，方可确保移植成活。

1.2.3移栽的运输与养护

栽植前应根据设计要求定点、定树、定位。

穴的直径要比土球（台）大40～50cm,比土球（台）高度深20～30cm。

要将树冠最丰满面朝向主要观赏方向，并考虑树木原生长地的朝向。

栽植深度以土球（台）表层与地表齐平为标准，树木入穴后，用竹、木杆支撑树体，使之稳定直立，然后尽量拆除草绳、蒲包等包扎材料。

最后填土，每填10～20cm深即夯实一次。

栽植完毕后，在树穴外缘筑一个高30cm的土埂进行浇水。

选用起吊、装运能力大于树重的机动车和适合现场施工的起重机类型。

苗木堆放时应注意土球的重心放在车后轮轴的位置上，树冠向后，用绳绑紧，土球下应用东西塞紧，在大树移植过程中，应防止因颠簸而散球，防止暴晒及冻寒等不利于大树生长的因素。

1.2.4设计任务与研究方向

机械挖树机，以树杆为中心进行圆周切割，切割成一个倒圆锥形土球，该机构要求可装配到30或50型装载机上。

开始工作时，让机器移动，树干进入机架中心后关闭开闭锁，调整机架离地面的高度，操控四个挖土铲顺序入土，待挖土铲全部进入土壤，下挖到最低位置，是园林绿化树木移栽机械。

本课题主要设计该挖树机的挖掘部分的机构设计，包括连接架、主机架、挖土铲、导轨、液压系统等部件。

设计自动挖树机的挖掘部分结构，动力由30或50型装载机提供液压油，设计的主要结构有与装载机连接部分，机架开合装置，挖土铲入土装置等，包括系统液压回路的设计，要求挖掘半径1.2m，挖掘深度0.8m。

任务量要求是：

总装配图、部件图、主要零件图在内的图纸

2总体的分析与确定

2.1原始设计要求

设计自动挖树机的挖掘部分结构，动力由30或50型装载机提供液压油，设计的主要结构有与装载机连接部分，机架开合装置，挖土铲入土装置等，包括系统液压回路的设计，要求挖掘半径1.2m，挖掘深度0.8m。

移栽挖大小同样的坑后将挖掘来的树木栽入。

要求土球光滑不毛，机器体积小、效率高。

2.230挖掘机铲斗

图2.1

由于最后挖掘机将要安装至30或者50的装载机处，所以为了保证各个位置的

的驱动连接口与挖掘机的主体机架尺寸一致，所以可以参考该铲斗进行相应设计。

2.3十字升降式挖掘机

十字升降挖掘机有一个十字形升降机架，结构简单，效率高、用途广，可以和拖拉机或其机械配套安装使用，适用于各种树、苗木的挖掘移植。

安装在固定机架处；升降机架的顶端向下顺序与切土铲油缸及切土铲连接；切土铲的两侧与切土铲活动臂固定连接，切土铲活动臂的两端与固定切土铲臂框架铰连接；升降机架的中部固定连接一个横向的切土桶活动臂及固定器臂，并顺序与切土桶固定臂、切土桶油缸缸体及桶状的切土桶连接；固定器臂中部与升降机架连接，两端与切土铲活动臂连接固定；切土桶框架的底端横向的连接一个分合油缸。

该机是全机械化作业。

图2.2

该装置主要由升降机架

（1）、固定机架

（2）、升降油缸（3）、切土铲油缸（4）、切土铲活动臂（5）、切土桶油缸（6）、切土桶活动臂（7、16）、切土桶（8）、固定切土铲臂框架（9）、滑轮（10）、切土铲（11）、切土桶分合油缸（12）、固定器（13）、切土桶固定架（14）及固定器臂（15）组成；

2.4土移树木机

带土移树机主要结构有单斗装载机和切割装置，其特征是切割装置设有与单斗装载机摇臂和翻转顶杆连接的箱体，箱体内组装与装载机油压系统连通的油缸，油缸的活塞杆传动联接相对的一对刀具，刀具固定联接在导套或导轨上，导套或导轨活动组装在箱体内的导柱或导槽上。

优虑是实现带土移栽苗木机械化，提高移栽树木成活率和移栽效率，满足城市绿化和成树移栽的需要。

图2.3带土移树机

2.5液压树木移栽机

液压树木移栽机结构简单、操作简便、作业效率高，适用于苗圃、林场、园林、公路、街道等场所的树坑挖掘、中小树木带土起挖移栽、短距离树木运输等。

由固定机架与其他零组件组成，固定机架包括两个活动机架，两活动机架分别通过两销轴从两侧与固定机架铰接，相邻固定机架和活动机架分别与开闭油缸的缸体和活塞轴连接，各机架上分别固定向下倾斜的滑槽，滑槽内装有可以沿槽滑移的弧形铲，滑槽和弧形铲分别与升降油缸的缸体和活塞轴连接。

挖掘时，机具就位后，分别启动各机架上弧形铲升降油缸，使直铲沿滑槽向下运动，插入土壤中至预定位置即可。

图2.4

2.6总体方案确定

自动挖树机的方案较多，应用的范围也各不相同，综合了各个挖树机的特点并且

结合本次的设计要求，选定液压树木挖掘机，确定本设计为四铲式树木移栽机。

主要结构是主机架上安装有两个活动机架可以分别安装两个活动机架，活动机架侧面各安装有两个铲斗，通过液压缸的收缩来实现铲斗的收放过程，从而控制工作。

同时两侧的液压缸可以控制机架的开合来保证挖掘的顺利进行。

主要技术参数：

图2.5装载机

自动挖树机的挖掘部分动力由30或50型装载机提供液压油，设计的主要结构有与装载机连接部分，机架开合装置，挖土铲入土装置等，要求挖掘半径1.2m，挖掘深度0.8m。

整机全长为7783mm，总高3415.4mm，总宽2766mm

3自动挖掘机零部件设计

3.1方案与结构

该机主要由挖树主机架、滑铲、液压传动装置构成。

本机由于采用与30装置机进行结合设计的模式，所以通过挖掘机的伸缩臂可以对挖树机的位置以及角度进行调节所以基本可以不考虑使用上下的升降机构以及微调机构这样可以有效的节约成本。

1.挖树机构

挖树机构由导轨架、导轨、铲刀等构成。

导轨架由型钢焊接组成环形构件。

它分为三部分，相互铰接在一起。

后面的两个支架可以开闭。

打开时，树苗茎干可以进入支架中心。

挖苗时，它们可以插销闭锁，以增强工作装置的刚性。

三组弧形导轨焊接在导轨架上，锹铲由铲柄、滚轮和铲刀构成。

铲刀和滚轮由螺栓固定在铲柄上，铲刀通过滚轮与导轨配合。

铲油缸的缸筒与导轨架上的支座铰接，活塞杆则与铲柄铰接。

当铲油缸伸缩时，锹铲则通过滚轮在弧形导轨中运动。

图3.1挖掘机挖掘部分

2.液压装置

液压装置由油箱、油泵、多路换向阀及液压油缸组成。

液压油泵为CB3-10型齿轮泵。

主机架装置

主机架的组成部分主要有前机架，后机架、左侧机架、右侧机架，其中前机架与左右侧机架进行相互连接，而后侧机架主要与前机架进行连接，同时后侧机架还需要与装载机的三个驱动臂进行连接，保证在臂展范围内能够灵活运动。

3.2三维设计的应用

   Solidworks公司是专业从事三维机械设计、工程分析和产品数据管理软件开发和营销的跨国公司，其软件产品Solidworks提供一系列的三维（3D）设计产品，帮助设计师减少设计时间，增加精确性，提高设计的创新性，并将产品更快推向市场。

Solidworks软件组成：

1.2D到3D转换工具

将2D工程图拖到SolidWorks工程图中的功能；支持包括外部参考的可重复使用2D几何；视图折叠工具，可以从DWG资料产生3D模型。

2.内置零件分析

测试零件设计，分析设计的完整性。

3.机器设计工具

具有整套熔接结构设计和文件工具，以及完全关联的钣金功能。

4.模具设计工具

测试塑料射出制模零件的可制造性。

5.消费产品设计工具

保持设计中曲率的连续性，以及产品薄壁的内凹零件，可加速消费性产品的设计。

6.对现成零组件的线上存取

让3DCAD系统使用者透过市场上领先的线上目录使用现在的零组件。

7.模型组态管理

在一个文件中产生零件或零组件模型的多个设计变化，简化设计的重复使用。

8.零件模型建构

利用伸长、旋转、薄件特征、进阶薄壳、特征复制排列和钻孔来产生设计。

9.曲面设计

使用有导引曲线的叠层拉伸和扫出产生复杂曲面、填空钻孔，拖曳控制点以进行简单的相切控制。

直观地修剪、延伸、图化、缝织曲面、缩放和复制排列曲面。

3.3挖掘工艺过程简析

（1）用人工打开挖树机构的开闭锁，使机器前进，让苗木位于铲刀的中央。

（2）操纵装载机的液压油缸控制三个伸展臂的伸缩机构来实现主机架的位置与角度保证其在合理位置将整个需要挖掘的树木进行包围。

（3）操纵铲油缸，使锹铲顺序入土挖掘苗木。

（4）当工作铲达到最低位置时，操纵装载机的液压油缸，提升挖树机构和苗木。

（5）把机器驶离挖掘点，卸下苗木，再进行下一次作业。

3.4挖树零部件结构设计

3.4.1工作铲

工作铲是树木移栽机进行挖树作业的主要工作部件。

工作铲的形状和结构参数决定了移栽机的总体设计，对挖掘时的能量消耗也有极大的影响。

如前所述，树木移栽机中采用两类工作铲，第一类是切土刀，它是用一种在土壤中沿直线低速运动的斜面切削土壤及树木的根系，苗圃中的起苗机、及U形铲挖树机和弯铲挖树机即利用这种工作部件；第二类是锹铲，它可以简化为作直线低速运动的有刃口的薄片，锹铲式移栽机就是利用这种工作部件切削土壤及树木的根系。

工作铲的形状和尺寸首先是由林业技术要求决定的。

用于园林绿化的树种不同，其根系生长状况不一样。

在栽植时，为了保证成活率，移植具有不同根系特点的树木，对根部土球的尺寸也有不同的要求。

工作铲加工的对象是土壤，还有生长在土壤中的树木根系，因此加工介质的特性对工作铲的性能影响很大。

对一个切削刃口而言，土壤中根系的分布规律是不确定的，而且工作部件主要地还是和土壤产生相互作用，因此了解土壤的物理特性和工作部件切削土壤的原理，对工作铲的设计有着重要的意义。

3.4.2锹铲的设计

（1）锹铲切土原理

锹铲外形是曲面或球面。

组成部分主要有铲柄和铲刀。

铲刀开有侧刃口。

在轴向推力作用下，锹铲靠两侧刃的作用切入土壤。

下图为曲面餐刀的结构及示意图。

当刀刃切开土壤时，锹铲使土体分离，由于铲刀刃面得作用使刃口侧面的土壤产生向下和一侧两个方向的复合运动。

由刃面作用使土壤使土壤产生向下的位移，并使下层土体产生压实；而刃面使土壤向一侧的推移可以看成一个薄的垂直刃口在土壤中运动。

铲刀下铲过程中刀刃使土壤产生的侧向位移较小，该位移量仅被该侧的土壤层所吸收，使该侧土壤被压实。

这就是说锹铲的入土运动使其下方和一侧的土壤产生压实现象，这部分土壤就对整个刃面产生法向压应力。

随着铲刀继续切入土壤，在铲刀刃的作用下，其一侧的受压土壤在其弹性恢复力的作用下，继续施加在铲体的相应侧力。

由于作用力与反作用力的影响，铲体两侧都受到弹性恢复力的作用。

因为铲刀体由薄钢板组成，整体刚度相对较差，分析时将铲刀体两侧受到的力集中简化为沿铲臂直径方向的法向力。

由于这部分垂直于铲臂的法向压应力是铲刀下铲过程中土壤受铲刀作用而附加产生的应力，故称为附加法向压应力。

（2）锹铲的结构设计

1.锹铲式树木移栽机上使用着两种铲刀：

菱形铲和匙形铲。

菱形铲一般用于挖掘小型树木是一种曲面铲，纵截平面与铲工作面的交线是直线，横截平面与铲工作平面的交线是等曲率的圆弧。

移栽机铲组在挖掘结束时形成一个空心圆锥面，所以每个菱形铲是圆锥面的一部分。

这种铲结构较简，制造比较容易。

与这种铲相配的导轨为直线形，制造较容易。

与这种铲相配的导轨为直线形、制造较容易。

设导轨架中心一侧为内，这种锹铲一般都配置在导轨的内部。

若要挖同一规格的土球，菱形铲在直线导轨上所移动的直线距离较长。

匙形铲用于挖掘大树或株行距较小的苗木。

球面铲、纵截平面与铲工作面的结交线是曲线，横截平面与铲工作面的截交线也是曲线。

移栽机挖树机构铲组闭合时呈空心椭圆球体。

这种铲的工作面较复杂，制造时要用特制的工艺装备。

于这种锹铲相配的导轨为曲线形，其制造工艺也较复杂，这种工作铲一般配置在导轨的外面。

对同一规格的土球而言，若匙形铲在弯导轨上移动的行程与菱形铲在直导轨上移动的距离相等，则匙形铲所走的直线长度较小；因此，这种挖树机构的外形尺寸较小，而铲组所包容的土球体积比菱形铲大，保留的树木根系多，对移栽后树木的生长有利。

2.锹铲数的确定

树木移挖掘机有3到4把锹铲。

挖树机构的锹铲数目主要与锹铲的挖掘阻力有关。

锹铲式工作部件的挖坑阻力与铲面的投影弧长，倾斜角为β，铲的厚度，挖掘深度，铲刀的表面状况，挖掘速度及土壤、根系特点等多种因素有关。

树木移栽机工作时采用单铲顺序入土的挖掘方式，单铲阻力也就决定了设计的油缸活塞面积、油缸压力和所配用的动力功率。

铲的工作阻力还与机器的平衡和稳定有关。

因此当所挖掘根的土球尺寸、配用动力和基础机械的重量分布决定以后，即可根据试验或计算确定锹铲数。

本次我们设计过程中选择的4把铲

3.锹铲的结构参数

铲刀的结构参数包括工作面长度L，曲率半径R1（纵向）、R2（横向）、倾斜安装角δ。

他们与要求的树木带根土球的尺寸、结构设计和使用条件有关。

图3.6所示，菱形铲的结构参数与土球尺寸的关系。

其中铲面长L应满足下列关系。

式中：

H—土球高度；

δ—铲刀安装角。

L的实际长度可在结构设计时确定。

铲刀的倾角直接影响挖掘机构的外形尺寸，因此在保证土球尺寸和总体布置的同时应尽量取最大值。

锹铲的曲率半径R2按下式决定：

R2=

式中D—土球直径。

图3.3掘铲

图3.4铲结构参数

匙形铲的结构参数及确定参数R1依据。

该挖树机构所挖土球直径φ=1200mm，高度H=800mm。

设计了三种纵向曲率半径的锹铲：

R=2000mm、3000mm、4000mm。

在用这三种锹铲作挖树机构机动示意图时发现：

R=4000m时，锹铲倾斜太大，机构的径向尺寸较大，不利于在株行距较小的苗圃中作业，而且铲柄也与微调机构干涉；经过计算后采用曲率半径R=3000mm的锹铲，导轨上部又距铲组中心太近，当布置了铲油缸以后，锹铲组的中部空间太小，若苗木枝叶茂盛，挖树机构会对它造成损伤。

因此，最后决定采用纵向曲率半径R=3700mm的锹铲。

锹铲的其他参数也可按菱形铲的方法确定。

曲率半径R2可按下式决定：

R2=R=3700mm

这时锹铲工作面为球形。

这种工作铲制造较简单。

R2也可不等于R，这时的工作面为椭圆球面的一部分，但制造较复杂。

图3.5导轨支架

3.4.3锹铲的工作阻力

锹铲的下铲阻力是进行动力配套、液压系统设计和铲的结构设计的重要依据。

下面以菱形铲为例，说明锹铲的阻力及其影响因素。

说明铲刀体的受力图。

其中影响下铲阻力的九个力分别为：

土壤重力

、土壤的静止恻向压力

、土壤一铲刀体表面的摩擦和附着力、铲刀两侧刀刃的纯切削阻力、土壤作用在铲刀刃面上的法向反力、土壤一铲刀刃面的摩擦力、铲刀体推移土壤